（流体机械及工程专业论文）基于numeca的小型风扇性能优化研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 基于n u m e c a 的小型风扇性能优化研究 摘要 叶片形状是影响小型轴流风扇性能的主要因素，因此针对风扇叶片的改型是优化小型 轴流风扇性能的重要手段，c f d 技术的快速发展为优化此类叶轮机械提供了便捷有效的优 化手段。本论文以静压为优化目标，对一种轴流风扇进行优化设计，得出性能更优的风扇 模型；制造样机模型并对优化前后模型进行了数值模拟计算；最后对优化前后风扇模型进 行静特性的实测研究。主要内容如下： ( 1 ) 回顾了叶轮机械及风扇研究的发展历程，包括数值模拟和优化设计的国内外发展现 状。 ( 2 ) 对小型轴流风扇样机进行了参数化造型，以直线和简单贝赛尔曲线控制叶片周向定 位，分别进行参数化拟合，基于静压为优化目标对风扇进行优化设计研究，得到了两种静 压最高的风扇参数，并导出三维模型。 ( 3 ) 采用雷诺时均n a v i e r - s t o k e s 方程和s p a l a r t a l l m 嬲模型湍流模型，对优化前后风 扇进行三维数值模拟，分析静特性和内部流动状况，计算结果表明，优化后两风扇的性能 得到提高。 ( 4 ) 制造优化后风扇实物模型，利用风洞测试系统对优化前后的风扇进行静特性的实 测，得到性能曲线，结果表明，优化后风扇模型的静压高于优化前，验证了优化方法的可 行性。 关键词：轴流风扇；优化设计；静特性；风洞试验 浙江理工大学硕士学位论文 t h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho fs m a l lf a n r e s e a r ca l lln e b a s e do nn u m e c a a b s t r a e t t h es h a p eo fb l a d ei st h em a i nf a c t o rt oa f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fs m a l la x i a lf l o wf a n ； t h e r e f o r e ，n e w l y - d e s i g n e df a nb l a d e sw o r ki st h ei m p o r t a n tm e t h o dt oo p t i m i z et h ea x i a lf l o wf a n p e r f o r m a n c e s t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc f dt e c h n o l o g yp r o v i d e ss u c h c o n v e n i e n ta n d e f f e c t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o df o ro p t i m i z a t i o ni m p e l l e rm a c h i n e r y t h i sp a p e rs e tt h es t a t i c p r e s s u r ea so p t i m i z e do b j e c t ，t om a k eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o ra na x i a lf l o wf a n , d r a wt h ef a n m o d e lo ft h eb e r e rp e r f o r m a n c e a n dt h ep r o t o t y p ea n dt h en e wm o d e l sw i l lb et a k en u m e r i c a l s i m u l m i o na n db em a n u f a c t u r e d 。a tl a s t ，t h es t a t i cp r o p e r t i e se x p e r i m e n t sw e r ep r e s e n t e df o r b e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o nm o d e l s m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) r e v i e w e dt h ei m p e l l e rm a c h i n e r ya n dr e s e a r c hd e v e l o p m e n to ft h ef a n s ，i n c l u d i n g n u m e r i c a ls i m u l m i o na n do p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no fd o m e s t i ca n d f o r e i g n ( 2 ) t h es m a l la x i a lf l o wf a n sw e r et a k e np a r a m e t r i cm o d e l t h ef a nt a n g e n t i a lp o s i t i o nw a s p a r a m e t e r i z e db yas t r a i g h tl i n ea n ds i m p l eb e z i e rc u r v e ，t a k i n gt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nb a s e do n t h es t a t i cp r e s s u r ea so p t i m a lo b j e c t i v e ，t w of a n sw h i c hh a v eh i g h e s ts t a t i cp r e s s u r ep a r a m e t e r o b t a i n e d ，a n d3 dm o d e l sh a v e b e e nd e r i v e d ( 3 ) t a k i n gt h eu s eo fr e n a u l ta v e r a g i n gn a v i e r s t o k e se q u a t i o na n ds p a l a r t a l l m a r a s m o d e lt u r b u l e n c em o d e l ，o p t i m i z et h eb e f o r ea n da f t e rt h r e ed i m e n s i o n a lf a nm o d e l s t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i sa n di n t e r n a lf l o wc o n d i t i o no ft h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fb e f o r e a n da f t e r o p t i m i z a t i o nm o d e l s a r eo b t a i n e d t h e c o m p u t a t i o n a l r e s u l t ss h o wt h a t ，t h e p e r f o r m a n c eo ft w of a n sa f t e ro p t i m i z a t i o nh a sb e e ni m p r o v e d ( 4 ) a f t e rm a n u f a c t u r i n gb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o nm o d e lf a n s ，t a k et h eu s eo fw i n d t u n n e lt e s ts y s t e mt os u r v e yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o nf a n s t h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h es t a t i cp r e s s u r eo ft h ea f t e ro p t i m i z a t i o nm o d e li sh i g h e rt h a nt h eb e f o r e ，a n d v e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo fo p t i m i z a t i o nm e t h o d 1 1 浙江理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：a x i a lf a n ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c ；w i n dt u n n e lt e s t i i i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 作为当代最主要的动力设备之一，叶轮机械在国民经济尤其是整个重工业体系中占有 十分重要的地位，它广泛应用于航天技术、能源动力、军事系统等各个领域，叶轮机械技术 是一个国家重工业水平的标志之一。所谓叶轮机械，就是一种带有叶片的动力式流体机械； 它的工作原理主要是通过连续流动的工作介质( 如水、空气等) 在等速旋转的叶轮之间做 复杂运动来实现能量的转换。叶轮机械主要包括叶轮式工作机，如泵、压缩机、通风机等， 本课题所研究的小型轴流风扇属于轴流通风机的一种。 现代科技的进步，推动了电子产品的迅猛发展，电脑、变频器、投影仪等各种电子电 器产品广泛运用在我们生活的各个角落，它们性能越来越强，形状越来越小，但与此同时 产生的热量也越来越大，如何及时高效的对其散热决定了电子产品是否能稳定工作。目前 而言，利用小型轴流风扇这种旋转机械散热是电子产品最有效、最便捷的散热手段，它利 用强制对流的方式，为电子元器件降温冷却，以保证整个系统功能的正常运作。风扇设计 结果的优劣，直接影响其散热、噪声、效率等性能，c p u 、显卡、芯片等设备就可能无法 正常工作。因此，优化风扇的结构，提高风扇的散热性能、降低风扇噪声，已经成为风扇 行业发展的重点，直接影响产品的科技含量和附加价值的提高。 伴随着计算机技术的高速发展，计算流体动力学( c f d ) 技术已成为流体机械内部流 动分析的主要方法之一。c f d 技术发展至今，其结果已经具有较高的可信度，因此，对于 无法实施实验或者难于实验验证的风扇性能研究，采用计算机数值模拟是一种既简便又准 确的研究方法。数值模拟可以将流场信息以直观的数据或图表展示出来，如速度矢量图、 压力云图、涡量云图等，为风扇的设计和改进提供依据。近年来高速、大内存计算机开始 普及，c f d 技术的研究与应用取得了重大进展，边界元法和有限体积法等一系列算法的引 入，使其可靠性和计算效率得到了很大的提高。 风扇的优化设计以c f d 数值模拟为基础，结合了数据库管理、遗传算法、神经元算法、 人工智能等一系列新技术。一些商用软件，已经完美整合了上述几项功能，利用此类软件 浙江理工大学硕士学位论文 已经能对几乎所有叶轮机械，包括轴流风扇进行结构优化设计。 叶轮机械的结构设计中，重点是叶片的设计，业内对叶型设计技术，如端壁子午成型 【1 1 、端弯技术f 2 1 、前掠叶片和弯扭叶片3 1 等大量研究。 本论文着眼于轴流风扇的叶片形状，采用商业软件的全三维流场的数值计算方法、参 数化造型技术和人工神经网络优化策略，对风扇结构进行优化设计，从而得到性能更优的 风扇模型，并利用数值模拟及实验加以验证。 叶轮机械国内外发展现状 1 2 1 数值模拟发展现状 传统的设计制造叶轮机械过程一般包括确定性能参数、原型设计、样机试验、优化样 机、制造。近年来，随着计算机技术、c f d 技术、计算数学的飞速发展，叶轮机械的内部 流场数值模拟得到广泛应用【4 卅，特别是样机试验这部分，利用计算机模拟可以节约试验所 带来的高昂成本；同时c f d 方法能很好的在原型设计阶段预测流体机械的性能和内部流动 产生的二次流、漩涡、边界层分离、尾迹流等现象，在设计初期就能保证性能的良好。 在上世纪8 0 年代以前基于二维和三维全位势函数和欧拉方程组的无粘定常流动计算 方法趋于完善，c f d 计算已经取得了长足发展【7 1 1 】。 8 0 年代以后，基于二维、三维全位势函数和欧拉方程组的无粘定常流动计算方法趋于 完善，国内外学者开始将研究重心转移到n a v i e r - s t o k e s 方程组的数值求解。其中d e n t o n ， r a i ，m o o r e ，h a h f l 2 1 5 1 等人使用压力修正法和时间推进法这两种数值求解方法研究风机和 透平叶栅等常用叶轮机械，取得了丰硕的成果。 9 0 年代之后，数值模拟计算进入准粘性流模拟阶段，这种方法综合考虑粘性、回流等 影响，在很大程度上提高了数值模拟的计算精度。王灿星、林建忠、宋向群1 6 1 运用积分法 对通风机子午面和回转面的速度分布进行数值模拟，取得了较好的效果。e p u r e a n u ”】采用 无粘一粘性耦合模型对叶轮机械内部流动分别进行无粘和粘性计算，分别用势函数方程和 积分法进行求解，也得到了徊好的结果。袁卫星、张克危，贾宗谟【1 8 】在射流一尾流模型的 基础上，对离心泵进行内部流场分析，确定尾流区形状，并用准正交面法对射流区进行三 维无粘性求解。 2 0 世纪末，一些高性能计算机逐渐问世，c f d 技术已经可以解决叶轮机械的全三维非 2 浙江理工大学硕士学位论文 定常粘性数值模拟。蔡兆麟、罗晟【1 9 】运用s i m p l e c 算法对离心叶轮三维粘性流场进行计 算，数值模拟与实验数据的结果符合良好。李海锋、吴玉林、赵志妹1 2 0 1 采用基于时均n s 方程和标准k s 模型，对叶轮内部流场进行计算，得到了很好的结果。c h e m o b r o v k i n 2 1 】 采用r u n g e k u t t a 方法【2 2 1 模拟压缩机叶栅中的不定常转捩流动，计算结果和实验数据吻合 良好。华中理工大学的繁兆麟利用实验方法验证了s i m p l e r 算法，并求解三维n s 方 程来计算叶轮机械内部三维粘性流动，通过对比实验结果和数值模拟和，证明了该数值模 拟方法的有效性。 1 2 2 优化设计发展现状 传统方法中，叶轮机械设计结果往往是在原始模型的基础上进行不断的“试错 来逐 步完善的，该方法主要依赖设计人员的经验，同时还需要大量的实验数据。所谓“试错 就是在原型设计完成之后制作样机，通过实验对性能进行验证，分析性能差异，找出存在 的问题并进行修改，然后再制作样机，并对新样机的性能再次进行实验分析，如此反复， 直至所有数据结果满足设计要求为止。这种方法设计周期长，耗资巨大，方向性不明确， 有时很难达到理想的设计结果。 随着c f d 技术的进步，数值计算发展迅速。常用的数值计算设计方法分正问题设计法 和反问题设计法。正问题设计法【2 4 】是指选定一个初始叶型，对其进行数值模拟，根据数值 计算的分析结果修改叶型几何参数，然后对新叶型进行数值模拟，经过反复修改直到获得 满意的气动参数为止。j 下问题设计方法需要对其几何外形进行不断调整，以改善其气动性 能，不同于传统方法的是不需要制作大量样机。因此，这可以看作是一种由手动完成的优 化过程。该方法应用灵活，可以考核不同工作状态下的气动性能，但是也需要进行不断的 重复操作，很难保证每次计算所设条件一致，设计具有一定的盲目性。 反问题设训2 5 2 9 】是首先给定叶型表面的速度分布、流量、压力分布等参数，逆向求解 确定叶型几何参数。该求解过程根据数值模拟的结果对叶型几何进行反复修改，再对新叶 型进行数值模拟，直至叶型表面压力或速度分布与给定参数之间的差异满足一定的精度要 求为止。因此，该过程也可以视为一种手动优化过程。反问题设计法曾取得丰硕的成果 1 3 2 1 ，但是也存在一些缺点：如在选择压力分布、速度分布或初始叶型时，限制比较多， 不能进行任意选取，必须在限定范围之内选取；目标函数与设计过程必须紧密相关，不能 浙江理工大学硕士学位论文 随意选取表达式；同时对设计人员需具有一定经验。以上缺点在很大程度上限制了反问题 设计方法的广泛应用。 与上两种方法相比，优化设计3 3 3 6 1 更具优势。它的运行机理为：首先选择合适的设计 参数，如转速、压力、流量等，依此为初始参数得到原始外型，选择优化参数、对其进行 数值模拟，然后确定约束条件、目标函数和优化目标等，利用优化算法进行处理，优化软 件可以在优化目标的前提下调整叶片外形，不断提高性能属性，直到满足给定的条件为止。 近年来计算机技术和流体力学的发展使优化设计取得了长足的进步。各种计算流体力学软 件应运而生，除了具有数值模拟的功能，都开始涉足优化算法。 优化算法发展至今，有人工神经网络【3 7 1 、遗传算法【3 剐、模拟退火算法【3 9 1 等方法。遗传 算法在其中是使用最广泛的方法之一，它由h o l l a n d 教授提出，模拟了自然界生物自然选 择、优胜劣汰的随机化搜索算法。在7 0 年代末到8 0 年代初，b a g l e y 教授【4 0 1 最早研究了遗 传算法在自动博弈中的应用，取得了很好的结果。h o l l s t e i n 教授【4 l 】应用于函数优化，是遗 传算法发展的里程碑。从2 0 世纪8 0 年代以后，许多国家开始重视遗传算法的研究与应用， 以此为基础的优化算法得到了长足的发展。 1 3 风扇的国内外研究现状 风扇的设计研究起步于2 0 世纪8 0 年代，设计原理基本采用大型通风机的理论，研究 也往往集中于性能的测试方面，所以风扇的研究是比较滞后的。 风扇的性能方面及最初风扇叶轮的设计，是利用简单的数学式表达出来，让风扇理论 有了初步的基础；随后e c k 4 2 】定义风扇叶片几何形状参数，使的风扇性能更容易表示，计 算更为精确；w i l l i a m 4 3 】在其所著书中将风扇的设计、振动噪音及性能效率等资料整理的相 当完整；a b m c k e n z i l c 删也将历年来相关的风扇几何参数影响描述的更为详尽。另外在风 扇性能影响方面，b e c h y t 4 5 】等人利用有限元分析理论的试错法球去了最小应力等级。至此， 风扇的几何形状、性能参数、设计理念已经完备。f u k a n o 4 6 】等人利用试验方法探讨了三种 不同形式的轴流风扇，针对其叶项间隙的改变进行噪声及性能测试，研究表明叶顶间隙与 机匣的相互作用，会产生纯音调噪声，而减小叶顶间隙将有助于降低噪声，同时还能提高 性能。 国内在风扇方面的研究也很多，林显群1 4 7 】发现将叶片前缘改为锯齿状，流量并无太大 4 浙江理工大学硕士学位论文 的变化，而最大静压值却随着锯齿数目及大小的增加，有下降的趋势。分析推断叶片前缘 发生了附面层分离，造成能量损失。唐涛，杨爱玲等1 4 8 4 9 】人采用数值模拟的方法对前、后 掠型轴流风扇进行了研究，：计算结果发现前掠型风扇不仅可以提高风扇的流量，同时还降 低了风扇的流动损失，表明前掠的设计更有利于小型轴流风扇发挥散热性能。王企鲲、陈 康l 毛 s o , s 1 1 提出t 4 , 型散热风扇扭叶片的设计方法，而且采用“径向平衡原理 详细研究了 变环量指数对，j 型轴流风扇一日能的影响，发现特定条件下，降低变环量系数可以提高风扇 气动性能，加强其散热能力。 1 4n u m e c a 软件简介 本课题所使用的n u m e c a 软件是c f d 商用软件的后起之秀，它是由比利时王国科学 院院士、布鲁塞尔自由大学流体力学系主任查尔斯赫思( c h a r l e sh i r s c h ) 教授带头开发， 其前身是8 0 9 0 年代为欧洲宇航局( e s a ) 编写的c f d 软件欧洲空气动力数值求解器 ( e u 凡蝌u s ) ，后来发展为通用性商业化软件，九十年代中期才开始推向市场。 其中的设计软件f i n e d e s i g n 3 d ，是一个集合了数值计算、参数化拟合、后处理等 技术于一体的新型优化软件，优化设计过程几乎是全自动的，它以用户定义的几何约束以 及多参数目标函数作为设计性能目标，通过数值计算、优化算法选出新的模型。 n u m e c a 中的前处理软件包是i g g a u t o g r i d ，即网格生成器。可自动生成任何叶 轮机械( 包括任何轴流、混流、离心机械，可带有顶部、根部间隙，可带有分流叶片) 的h 形，i 形和h o h 形网格。该软件是公认的叶轮机械最好、最方便及网格质量最好的网格生 成软件之一。后处理器c f v i e w 是功能强大流动显示器。功能同样非常强大，可做任何定 性或定量的矢量标量的显示图。是叶轮机械最好的后处理软件之一。 虽然进入市场的时问较晚，但n u m e c a 是国内外公认的叶轮机械内部流动数值计算 和优化设计的最优秀软件之一。本文主要使用设计软件d e s i g n 3 d 风扇的优化设计；分析 软件包f i n e t u r b o 来进行数值模拟计算来分析优化结果；利用i g g ，a u t o g d 生成计 算网格，利用c f v i e w 完成后处理工作。 1 5 本论文的主要工作 改变叶片形状是优化风扇性能的重要手段，其中叶片的形状、数量、弯度、安装角等 浙江理工大学硕士学位论文 因素都会影响其气动性能，本课题以某原型风扇的静压为优化目标，着眼于叶片形状、周 向弯曲等参数，利用n u m e c a 软件对其进行叶型优化设计，得到静压值更高的新风扇， 新风扇较优化前具有不同的叶片形状。然后通过与原型风扇的数值模拟进行对比，分析总 结出叶型对风压等风扇性能的影响，为研制高效的小型风扇叶片提供设计依据。 第1 章概述了叶轮机械以及轴流风扇的国内外研究现状，介绍数值模拟技术和优化设 计的发展状况，最后提出本文的主要工作。 第2 章介绍本文的工作，包括优化工作的流程，软件的操作方法与步骤。其中详细介 绍了对原型风扇的参数化拟合，采用两种参数化方法对周向定位拟合；通过参数化造型、 流场分析、数据库生成和优化计算四个步骤完成优化工作；最后给出了优化后的风扇模型， 选出了性能昂优的两个模型。 第3 章是对优化前后风扇进行数值模拟计算。详细介绍风扇数值模拟的边界条件、网 格设置等情况；然后对数值模拟结果进行后处理分析，通过静特性，流场分析验证优化前 后风扇性能的改变情况。 第4 章是风扇静特性实测研究。介绍了风洞测试系统原理及各组成部分的功能，通过 对优化前后三个风扇进行试验，绘制口q 曲线，验证数值模拟计算的真实性，分析优化前 后风扇性能的变化。 最后一章是本论文的总结，对目前存在的问题及今后工作提出了具有指导意义的建 议。 6 浙江理工大学硕士学位论文 2 1 优化设计流程介绍 第二章风扇的三维优化设计 所研究的小型轴流风扇是指直径小于2 0 0 m m 的风扇，它主要应用于计算机、投影仪、 电子仪表等电子设备的散热和通风。随着电子元器件尺寸日趋微型化、运行日趋高速化， 其散热问题日益突出，已成为制约电子设备性能进一步提高的瓶颈。为了提高风扇性能， 风扇叶片常常采用弯扭叶片、倾斜叶片或掠叶片等设计造型5 2 1 。利用优化设计方法可以方 便快捷的在原型基础上自动生成各种叶片造型，通过计算机选择性能最优解。 图2 1 优化设计基本流程 优化设计的基本步骤如图2 1 所示，可分为几何模型参数化拟合、风扇流场分析、数 据库样本生成、样本优化四个步骤。 叶片参数化拟合是优化设计的基础，其作用为对设计对象进行建模，将离散点模型利 用控制方程重新确定模型，并提供设计变量，为后续的自动优化设计提供可能； 风扇流场分析是指对参数化模型进行数值模拟，并根据参数设定自动输出涉及所需的 数据用于后处理分析，生成分析报告； 数据库样本生成是按照所选择的优化算法( 遗传算法) 对几何模型进行修改并生成新 的几何模型，产生模型数据库； 样本优化将对样本库罩各样本进行自动网格生成、数值分析、后处理分析等操作，以 7 浙江理工大学硕士学位论文 确定的优化目标，利用人工神经网络选择不断寻优，得出范围内性能最优模型。 图2 2 是n u m e c a 软件的优化模块运行关系图，参数化模块a u t o b l a d e 、优化模块 d e s i g n 3 d 、计算模块f i n e 互相关联，共同作用。初始模型在给定的几何约束条件下，产生 新模型作为样本，样本将通过f i n e t u r b o 进行流场计算，其中给定的初始叶型决定了样本 的网格拓扑结构和边界条件，后期的数据库生成和优化都以此为网格模板进行自动数值模 拟、后处理分析。 粤粤 f i n e d e s i g n 3 d 2 2 风扇参数化造型 图2 2 优化模块运行关系图 在叶轮机械的几何表达形式中，分为c a d 模型、离散点模型和参数化模型等几种形 式。u g 等三维软件处理的叶轮造型形状都是c a d 模型或者离散点模型形式，描述一个三 维叶轮往往需要很多复杂的三维曲面或者数量庞大的离散点坐标，该种形式存在的叶轮结 构是无法实现儿阿模型的自动控制的，更无法完成后续的网格自动生成、流场数值模拟和 后处理。 解决这一问题的方法就是叶型数据参数化，通过参数化造型及拟合，将一个复杂的叶 轮结构用若干个简单的控制参数来表达出来，在这个基础上，可以很方便的通过控制几何 参数的变化来改变1 1 + f 轮的造型。通过锁定大部分控制点，仅需对几个重要参数惊醒调整和 控制，就能直观的完成模型的改变。 本课题采用n u m e c a 中网格生成器a u t o g r i d 5 来生成全三维网格，风扇结构简化为 浙江理工大学硕士学位论文 子午视图上的壁面( s h r o u d ) i 抽线、轮毂( h u b ) 以及叶片( b l a d e ) 三部分。在进行叶片拟合之前利 用i g g 软件包提取s h r o u d 、h u b 线，对叶片进行处理时提取压力面( p r e s s u r es u r f a c e ) 与吸 力面( s u c t i o ns u r f a c e ) ，叶片简化为由两者在前缘接合，具有一定厚度的几何形状，前缘倒 圆处理，如图2 3 所示。 b la d e 一+ “h u b (a)子午面(”叶片 图2 3 风扇几何的提取和简化 2 2 1 几何模型拟合方法 在几何模型的拟合方法中广泛采取n u r b s 标准方法【5 3 1 ，n u r b s 标准是一种广泛用 于描述曲面、曲面的数学方法，其中常用的参数曲线有b e z i e r 曲线和b s p l i n e 曲线。 1 ) b e z i e r 曲线 b e z i e r 曲线类似于多边折线，各个控制点p o ，p l ，p m 组合形成多边折线，除了 尸0 、心两个顶点以外，其他各控制点均不在曲线上，这些不在曲线上的点作用是定义的是 曲线的阶次，这一特征是区分b e z i e r 曲线和b - s p l i n e 曲线两者最显著的特点。 给定控制多边形顶点尸o ，尸l ，厶的坐标：，肋) ，o l ，y 1 ) ，( x m ，y m ) 则曲线参数方程为： x ( ，) = c ：f 。( 1 - t ) ”一x t 、y ( ，) = z c ：t ( 1 一r ) ”一y i 2 - ( 1 ) 其中，c ：为组合数，其计算公式为： c ：百型丙 2 - ( 2 )k 2 万丽 9 力一 吸一 栖压 du 0 rhs 浙江理工大学硕士学位论文 2 ) b - s p l i n e 曲线 它的显著特点是所有控制点都经过曲线，b 样条曲线不仅保留了b e z i e r 曲线的优点， 而且具有局部控制能力，若定义尸( t ) 为曲线上的位置向量，则沿着参数r 的b - s p l i n e 曲线 可定义为： 打+ l 尸( f ) = e j ( f ) t m i 。f 5 0 最大网格长宽l 匕 5 0 0 0 最大网格延展比 1 0 既可以得到较高的网格质量。 本文风扇网格质量为最小网格正交性角度大于1 0 。，最大网格长宽比小于7 0 0 ，最大 网格延展比小于3 ，网格质量能够很好的满足后续数值模拟和优化计算的要求 同时，本文采用多重网格技术，在进行计算时，首先采用粗网格进行初始计算，将计 算结果当作一个比较接近最终结果的计算初场。多重网格技术对数值计算，特别是上一章 中优化计算非常重要，由于优化计算过程中，需要生成几十甚至上百个优化样本，对这些 优化样本进行流场校核时如果都采取细网格进行计算，其计算量相当巨大、计算时间过长， 计算成本将难以承受，而采用多重网格技术就可以极大的降低计算成本。多重网格技术在 多个优化样本计算过程中，可以非常方便的套用统一的网格，在较粗的网格上进行计算筛 选出较好的优化方案，然后再此基础上对筛选出的优化方案进行细网格计算、修改验证直 至得到最终的优化方案。这样就能够保证在相对较短的时间内可以得到较好的优化样本。 同时为了消除由于不同网格带来的数值计算误差，本文在优化过程中所使用的所有计算网 格都采用统一的网格节点分布和拓扑结构，在后续流场校核过程中的细网格也采用相同的 网格节点分布和拓扑结构。 3 2 浙江理工大学硕士学位论文 3 2 2 风扇计算域及网格 o u t l e t i n l e t 2 r 毒 i 一 4 h 一 h 一1 伽 图3 3 计算域示意图 图3 4 单周期整体网格 基于叶片的周期性，利用n u m e c a 的单周期运算，计算域只包含一个叶片，优点在 于能大大减少网格数，使数值计算速度大大提高，降低计算所需的硬件要求，而且，单周 期计算较易收敛，便于得到计算结果。 考虑到实验测试需要在风洞腔室内进行，所以本文数值模拟，包括优化中的流场分析 和样本计算，风扇的流场上下游都设有延伸段，如图3 3 所示，计算区域分成三部分：进口 段、风扇段和出口段，计算区域的尺寸控制按照a m c a 标准构建，图3 4 为单周期网格图。 风扇叶片和轮毂的网格利用a u t o g r i d 5 生成，前后延伸段使用网格生成器i g g 软件生 成。为了流场网格分布的精确，在壁面，交界处等适当位置网格局部加密，如图3 5 所示。 采取多重网格技术来加速收敛，达到三重网格，网格质量为：最小网格正交性角度大 于1 3 。，最大网格长宽比小于6 0 0 ，最大网格延展比小于3 ，网格总节点数8 5 万左右，网 3 3 浙江理工大学硕士学位论文 格质量能够很好的满足后数值模拟和优化计算的要求。 3 2 3 边界条件设置 图3 5 风扇网格及局部放大图 计算流场为三维不可压缩粘性流场，采用体积差分格式并结合湍流模型对坐标系下的 三维雷诺平均n a v i e r - s t o k e s 方程进行求解，计算中采用s p a l a r t - a l l m a r a s 湍流模型，采用 显式四阶r u n g e k u t t a 法时间推进以获得定常解，使用了多重网格技术和隐式残差平均速 度等方法来加伙时间推进速度，c f l 数3 0 。 进口给定质量流量；出口给定平均静压；叶轮和轮毂设定为相对静止壁面，机匣设定 为无滑移壁面，壁面第一层网格尺度为少。盯= 2 e - 0 0 6 m 。在叶片近壁面，叶栅端壁，头尾 缘等流动复杂区域，对网格进行了局部加密以提高这些区域内解的分辨率。 壁面第一层网格尺度下式来确定： y 。，= 6 少一2 f i y + 3 ( 1 0 ) y + 为无量纲量，对应不同的湍流模型，有不同的取值范围，这里y + = 1 ；为参考 速度( m s ) 。 浙江理工大学硕士学位论文 3 3 优化前后数值模拟结果对比分析 3 3 1 静特性分析 轴流风扇的特性曲线是选择和使用风扇的重要依据之一，其特性曲线包括在恒定转速 下风扇的全压p ( 这罩用静压n ) 、轴功率及效率r l 与风扇的流量q 之间的关系曲线， 反映了流体在风扇内流动规律的宏观表现形式。本文主要观察静压流量图僻q 曲线) 和效 率一流量图( 蚜q 曲线) 。 ，、 寥 苫 瓣 狡 0 0 0 00 0 0 20 0 0 4 0 0 0 60 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 20 0 1 4 0 0 1 60 0 1 80 0 2 0 0 0 2 2 流量q ( k g s ) 图3 6 蚀曲线 0 0 0 0 0 0 0 20 0 0 4 0 0 0 60 0 0 50 0 1 00 0 1 20 0 1 40 0 1 60 0 1 80 0 2 00 0 2 2 流量q ( k g s ) 图3 7v - q 曲线 3 5 浙江理工大学硕士学位论文 如图3 6 是风扇优化前后的静压- 流量图( p - q 曲线) ，总体上，随着流量的增加，静压 呈现递减的趋势，三个风扇的静压在0 1 4 k g s 的流量上都有一个起伏的过程。在低流量段 ( 0 0 0 2 0 0 0 6 k g s ) ，优化前静压值低于优化后，差距5 p a 左右。 经过0 0 0 6 k g s 流量以后，优化前模型x 的静压值下降较缓慢，在0 0 1 2 k g s 达到最低 值，模型a 静压值有一个大幅下降，在0 0 1 0 k g s 处达到最低值，模型b 曲线较平缓，静 压值比其他两个模型高；在流量0 0 1 0 k g s 以后，三个模型进入稳定工作段，模型a b 静压 值明显高于模型x 的静压值。在额定流量0 0 1 4 k g s 时，优化前模型x 、优化后模型a 和 b 的静压值分别为1 3 1 2 8 p a 、1 6 0 7 3 p a 和1 5 7 6 4 p a ，这与优化计算时得出的数据几乎一样； 流量大于0 0 1 4 k g s 之后，三个模型的静压值开始降低，模型b 一直保持着最高的静压值。 可以看出，优化前后模型的静压是有一定区别的，特别在额定工作流量附近，优化后 的模型静压较优化前有较大优势，特别是模型b 的静压一直最高，从图中可以看出，优化 前模型的稳定工作段很短，而优化后模型增加了风扇稳定工作流量的区域。可见对风扇叶 型的优化后对提高风扇的性能有显著的帮助。 图3 7 是三个模型的效率- 流量图( 呀一q 曲线) ，总体上看效率呈现先增加后减小的趋势， 优化前后模型在0 0 1 2 k g s 流量以后达到最高效率，模型x 、a 在0 0 1 2 k g s 流量达到最高 效率，模型b 在0 0 1 4 k g s 时达到最高，最高效率分别为2 0 7 9 9 、2 3 9 7 3 、2 3 7 6 1 ， 可见较模型x 、a ，模型b 的最高效率点的流量较大。在小流量段，优化前后的效率区别 不大，模型a 的效率较其他模型低。在0 0 1 2 k g s 开始，模型x 效率开始下降，而模型a 、 b 效率继续上升，这以后，优化后模型效率明显高于优化前。可见优化后的风扇叶型能降 低损失，较优化前提高了工作效率。 麓兰霸一 优化前模型x优化后模型a优化后模型b 图3 8 吸力面压力云图 3 6 息 饕 耘潭可 籀 浙江理工大学硕士学位论文 幽 刘习 i，一。一一一j 一、么一，一l i 二一 ， 、 ， b 7 翻 优化前模型x 优化后模型a 优化后模型1 3 图3 9 压力面压力云图 如图3 8 所示为三个模型吸力面压力云图，当前流量为0 0 1 4 k g s 。优化前风扇叶片吸 力面前缘有一个高压区，靠近尾缘处有一大块中等压力区，压力梯度较大。经优化后的两 模型叶片压力自前缘到尾缘有逐渐降低再升高的过程，压力梯度较优化前减小，从而减小 了径向串流。 如图3 9 为优化前后叶片压力面压力云图，当前流量为0 0 1 4 k g s 。优化前在边缘附近 存在低压区，只有在叶片中心区有高压的存在，这可能是由于优化前风扇叶型的不合理气 流受到叶面边缘的阻挡，故中心压力升高。优化后叶片压力面尾缘高压区面积显著增大， 压力显著提高，特别是模型b 在这一点表现特别明显，仅在靠近叶顶的尾缘处存在低压区。 但是模型a 在前缘附近的不规则低压区，表示叶片边缘有阻挡到气流的运动，增加了流动 损失，这也解释了图3 7 效率曲线的模型a 的效率较低的原因。 纵向比较，优化后模型的压力面吸力面压差增大，增大了横向压力梯度，加强风扇的 做功性能。 3 3 2 流场分析 为了了解风扇内部流动的速度场分布，本小节分析了风扇径向中心截面的速度流线图 和风扇计算域的子午面速度矢量分布。 如图3 1 0 为径向中心截面的速度流线图，当前流量为0 0 1 4 k g s 。图中可以看出优化 前后回流区域分布也比较相似，优化前模型叶片之间的流线在叶根处有较小回流区域，如 图3 1 0 ( a ) ，这主要是叶片间压力不均匀导致的，流场在靠近吸力面处形成了低压区，流体 自动补充形成了回流。这种回流会造成能量的损失，做功能力下降，表现为风扇效率降低， 3 7 浙江理工大学硕士学位论文 静压降低。优化后风扇的速度流线比较稳定，没有明显的回流区，不过由于弯叶片使叶片 长彦增加，加强了对机匣壁面也叶片之间流场的扰动，使模型b 在叶顶间隙处存在流场不 稳定区域。三个模型比较后发现，叶片周向的正弯曲改变了空气与叶片撞击的气流角，避 免气流垂直打在叶片上，使其具有一定的角度，产生了势流，同时抑制了回流区的产生， 有利于流场稳定，提高风扇性能。 ( a ) 优化前模型x 中心截面速度流线图及局部放大图 ( b ) 模型a 中心截面速度流线图( c ) 模型b 中心截面速度流线图 图3 1 0 速度流线图 3 8 浙江理工大学硕士学位论文 _ ，1lf ： ( a ) 优化前模型x ( b 斌化后模型a ( c ) 优化后模型b 图3 1 1 子午面相对速度分布图 图3 1 1 为子午面相对速度分布图，当前流量为0 0 1 4 k g s 。空气受到叶片的冲击，由右 边入口向左边出口流动。因为同时受到外壁的限制，气流在叶顶间隙处的流场最为复杂， 常常会产生二次流或涡流畔】，所以风扇大部分的能量损失或者噪声都是发生在叶顶间隙处。 从图中可以看出，从叶根到叶顶，相对速度逐渐增大，在靠近叶顶处流速达到最大。优化 前模型速度在脱离叶片式有数值上的突变，高速气流被甩出，在叶顶间隙处有二次流产生， 二次流产生了和主流方向相反的气流，形成了漩涡，削弱了叶片推送流体的能力。在优化 后模型中叶顶间隙的二次流减弱很多，特别是模型a ，叶顶区域速度梯度较小，气流趋于 平缓，优化后风扇流动状况得到较大改善。 3 4 本章小结 本章的主要内容为风扇的数值模拟计算。首先简单介绍了针对风扇流场数值模拟的理 论知识，同时介绍了n u m e c a 软件求解该流场的方法，包括网格生成技术、湍流模型的 选取和边界条件的设定等。以此为基础，本文将上一章节优化后得到的两个新风扇模型以 及初始模型进行了流场计算，得到优化前后模型的静特性及流场状况，通过比较分析，验 证新风扇性能的确得到了优化。 浙江理工大学硕士学位论文 第四章风扇静特性实测 流体机械内部液体的流动过程是非常复杂的，由于c f d 技术发展的局限性，并不能完 全取代模型试验，因此模型试验仍然是目前获取数据的基本手段，是了解流体机械内部流 动规律以及验证结构改进、设计方法准确性的最可靠依据。对于以空气为输送介质的叶轮 机械往往需要建立风洞试验平台模拟真实气体流动状况来进行实验研究。 风洞试验在空气动力学研究中一直起着举足轻重的作用，在航空航天、工业、汽车、 建筑等领域也有着广泛的应用。很多著名的理论，如边界层理论、空气螺旋桨理论等都是 经过风洞大量试验后才提出来的【6 5 】。本文的小型轴流风扇试验就是在风洞中完成的，风洞 试验台主要由微小型风扇性能测试台和采集系统组成，可以对微小型轴流风扇的静特性进 行测试数据采集和处理。 4 1 风洞测试系统简介 测试风扇性能采用的风洞测试系统主要包括主体、整流网、喷嘴、辅助风机、压力传 感器等。 如图4 1 所示，小型风扇试验转子安装在风洞进v i ( 1 ) 处，静压探头( 2 ) 和扭矩转速传感 器( 3 ) 用来采集风扇的静压和扭矩，驱动马达( 4 ) 用来带动转动，整流网( 5 ) 用来整流径向速 度，留下轴向速度使风洞内的气体流动更加平稳，两个喷嘴( 6 ) 用来产生压差，压力探头( 7 ) 用来测量喷嘴参数的压差，辅助风机( 8 ) 由变频器控制从而改变转速，以达到调节风洞内风 量的目的。 如图4 2 为该风扇性能试验台照片。 浙江理工大学硕士学位论文 n o w = 1 试验风扇转子2 压力传感器3 扭矩转速传感器4 驱动电机 5 整流网 6 喷嘴7 压力传感器8 辅助风机 图4 1 结构示意图 4 1 1 测量原理 图4 2 风扇性能试验台照片 风洞测试系统可以实现静特性曲线的绘制，主要是小型风扇压力一流量曲线，即p - q 曲线，所以需要测量两个数据，静压和流量。 1 ) 压力测试方法： 风洞测试平台喷嘴上游分布着多个取压口，由毕托管连出至压力传感器直接测得静 压。 2 ) 流量测试方法： 4 1 浙江理工大学硕士学位论文 p2 朋一岛 4